传感器原理与应用—光电式

光电传感器的特征是以光电器件作为转换元件。因
此，采用光电器件作为转换元件的传感器就统称为光
电式传感器。
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概述
调制(Modulation)：使一个信号（载波）的某些参数在另一
信号（调制信号）的控制下发生变化的过程，称为调制。
☎光调制：使载波光波的参数随外加信号变化而变化的过程。 光调制过程就是将一携带信息的信号叠加在载波光波上，完 成这一过程的器件叫做调制器。
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光电式传感器
概述 光电传感器的组成 光电传感器及其应用 新型光电器件
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概述
光电式传感器(Photoelectric Sensor)是以光电器件 作为转换元件的传感器的总称。光电传感器可以 用来测量直接引起光量变化的其他非电量；也可 用来测量能转换成光量变化的其他非电量。
☎ 工程上常见的是人造光源，人造光源按其工作原理不 同，可分为热辐射光源、气体放电光源、电致发光光 源和激光光源。
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光电传感器的组成
一．光源
1. 热辐射光源
☎ 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源称为热辐射光源。
例如钨丝白炽灯和卤钨灯。
☎ 特点：光谱线较丰富，包含可见光与红外光；发光效率低；
光电式传感器的一般主要包括： 光源、光通路、光电器件和测 量电路四个部分。
被测体或 人造光源
各种光调制器
光量
光源
光通路
实现光-电 转换器件
光量
光电器件
电参量 或电量
电量输出
测量电路
被测量x1
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被测量x2
对光电器件输出 的电信号进行
图3.67 光电式传感器的组成 放大或转换
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光电传感器的组成
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概述
传统电测传感器与光电式传感器的区别：
♣传统电测传感器：
被测量
非电物理量
敏感元件
实际物体 或机械系统
各种实现机-电 转换传感器
电参量/电量
转换元件
导线
♣光电式传感器：
被测量
光信号
被测对象 被测介质、 /光调制器 空气或光导纤维
各种实现光-电 转换传感器
电参量/电量
光电器件
导线
☎ 特点：激光是频率单纯、能量高度集中的光，激光具有单色
性好、方向性强、亮度高、相干性好等特点。
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光电传感器的组成
二．光电器件
光电器件的作用是将光信号转变为电信号。光电器件的 基于光电效应工作的。
1. 光电效应及其典型器件
☎ 所谓光电效应是指物体吸收了光能后产生的电效应。
外光电效应
☻ 基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管。
a. 光电管（ Photoemissive Cell ）
b. 光电倍增管（ Photoemissive Multiplier ）
第一倍
第三
增极
倍增
入射光
极
阳极A
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阴极K
第二倍
第四倍
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增极
增极
光电传感器的组成
二．光电器件
(2) 内光电效应及器件
☻ 内光电效应：在光线照射下，物体内的电子不能逸出 物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电 动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原 理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。
① 光电导效应（ Photoconduction Effect ）及器件
可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。
☎ 特点：效率高，省电，功率大；含有丰富的紫外线和频谱；
2020/10/4容易污染环境，玻璃易碎，发光调制频率较低。
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光电传感器的组成
一．光源
3. 电致发光光源
☎ 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光， 如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。
一．光源
光是电磁波谱中的一员，不同波长光的分布如图所示。 其中光电式传感器主要使用的光的波长范围处在紫外至 红外之间的区域，一般为可见光和近红外光。
工程检测中的光源，可以由各种发光器件产生产生，也 可以是物体的辐射光。
☎ 利用物体在不同温度下的辐射光的强度和频谱特性不 同进行测温的方法，称为辐射测温法。
发热大；寿命短；易碎，电压高，使用有一定的危险。
2. 气体放电光源
☎ 电流通过置于气体中的两个电极时，两电极之间会放电发光，
利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源
目前常用的有碳弧、低压水银弧、钠弧、氙弧灯等。
☎ 气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件
有关，改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，
现代传感器原理 及应用
Modern Transducers
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现代传感器
光电式传感器 光纤式传感器 数字式传感器 波与射线传感器 其他新型传感器
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光电式传感器 应用示例：光电式烟雾报警器
(a) 透射式
(b) 反射式
图5.1 光电烟尘浓度报警器
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解调(Demodulation)：从已调制波中恢复出调制信号的过程，
称为解调。
☎光的解调：光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换 成光强度变化，然后由光电器件进行检测。
光调制技术包括光强度调制、光频率或波长调制、光相位调 制和光偏振态调制。其中光强度调制是最常用的调制技术。
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光电传感器的组成
☎ 特点：体积小，属固体光源，耐振动；无辐射，无污染；功 耗低；寿命长；响应快；供电电压低；成本低。
4. 激光光源
☎ 某些物质的分子、原子、离子在特定频率的光子激发下，高 能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同 的光子(受激发射)。具有光的受激辐射放大功能的器件称为 激光器。如各种固体激光器、气体激光器、半导体激光器、 液体激光器等。
h—普朗克常 (6.数 6261034Js)
f —频率
可见光的频率愈波高长（越即短），光量子愈的大能。
2源自文库20/10/4
☻ “红限”：红限频0率 A h： ；红限波 0长 hA c：
h普 朗 克 常 c光 数速 ， A， 逸 出 功 13
光电传感器的组成
二．光电器件 1. 光电效应及其典型器件
(1) 外光电效应及器件
光电效应
光电导效应
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内光电效应 光生伏特效应
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光电传感器的组成
二．光电器件 1. 光电效应及其典型器件
(1) 外光电效应（ Photoemissive Effect ）及器件
☻ 外光电效应：在光的照射下，使电子逸出物体表面 而产生光电子发射的现象。
☻ 光子能量：
每个光子的能 :量 h为 f